JP2012099726A - Ｌｅｄモジュール及びｌｅｄランプ - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ素子を発光源とするＬＥＤモジュールを、ＬＥＤ素子からの出射光が該ＬＥＤモジュールの全方向に向けて照射されるような構造とし、このＬＥＤモジュールを光源に用いて出射光が全方向に向けて照射されるＬＥＤランプを実現することにある。
【解決手段】透明基板６の両端部に取り出し電極７ａ、７ｂを取り付けると共に、それと同一面に活性層を挟んで互いに対向する面から光を出射するＬＥＤ素子２をダイボンディングし、隣接するＬＥＤ素子２の電極同士、及び取り出し電極７ａ、７ｂと該取り出し電極７ａ、７ｂに隣接するＬＥＤ素子２ａ、２ｃの電極をボンディングワイヤ８で接続し、且つ透明基板６の、取り出し電極７ａ、７ｂが取り付けられた面と反対側の面に蛍光体層９を、ＬＥＤ素子２を覆うように蛍光体被覆１０を夫々形成してＬＥＤモジュール１を構成し、このＬＥＤモジュール１をガラス球と口金で形成された気密空間内に配置した。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＬＥＤモジュール及びＬＥＤランプに関するものであり、詳しくは、発光源としてＬＥＤ素子を実装したＬＥＤモジュール、及びそれを光源として組み込んだＬＥＤランプに関する。

従来、この種のＬＥＤモジュール及びＬＥＤランプに係わるものとしては、例えば、以下のような構成からなるものが開示されている。

それは、図１１に示すように、ＬＥＤチップを透明体に埋設してなるＬＥＤランプ８０の複数個を金属板からなる可撓性部材８１により連鎖させてＬＥＤ連鎖体８２を構成し、それを図１２のように、ガラス球８３と口金８４で形成された中空体内８５に、従来のフィラメントの代わりに配置して電球本体８６を構成したものである（例えば、特許文献１参照。）。

また、図１３に示すように、複数の金属製のリード９０、９１、９２を光透過性樹脂からなる第１の樹脂９３により一体化して細長い棒状のパッケージ９４を形成し、複数のリード９０、９１、９２のいずれかに発光素子９５を固定して電気的な接続を図ると共に、該発光素子９５を透光性樹脂からなる第２の樹脂９６により樹脂封止して発光装置９７を構成し、それを図１４のように、ガラスカバー９８と口金９９で形成され不活性ガスが充填された気密内部空間内１００に、従来のフィラメントの代わりにフィラメント部１０１に配置して電球１０２を構成したものもある（例えば、特許文献２参照。）。

実用新案登録第３０７５６８９号公報 特開２００９−１７０７５９号公報

ところで、上記特許文献１に開示された電球本体８６は、電球本体８６の光源部を構成するＬＥＤ連鎖体８２において、ＬＥＤランプ８０はその構造上ＬＥＤチップの裏面側から照射される光の出力が、正面方向に照射される光の出力に比べて極めて小さく、その上ＬＥＤランプの裏面側が金属板からなる可撓性部材により連鎖されているため可撓性部材に遮蔽されて光の出力はほとんどない。そのため、全方向に対して一様な光出力分布を形成することは困難である。つまり、全方向を均一な明るさで照明することは難しい。

また、上記特許文献２に開示された電球１０２は、電球１０２の光源部を構成する発光装置９７において、発光素子９５が金属製のリード９０、９１、９２上に固定されているため発光素子９５の裏面（リードに固定された面）から出射される光はリード９０、９１、９２に遮蔽され、透光性樹脂からなる第１の樹脂９３側から照射される光の出力が正面方向に照射される光の出力に対して４割程度（図４参照）となってしまう。そのため、特許文献１と同様に、全方向に対して一様な光出力分布を形成することは困難である。つまり、全方向を均一な明るさで照明することは難しい。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、発光源としてＬＥＤ素子を実装したＬＥＤモジュ−ルを、ＬＥＤ素子の両面側から照射される光が互いに光出力差を生じないような構成とし、そのＬＥＤモジュールを光源に用いて全方向に対して一様な光出力分布を形成するＬＥＤランプを実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、平板状の透明部材と、前記透明部材の一方の面に取り付けられた複数の取り出し電極と、前記透明部材の前記取り出し電極が取り付けられた面と同一面上にダイボンディングされた、活性層を挟んで互いに対向する面から光を出射するＬＥＤ素子と、互いに隣接する前記ＬＥＤ素子の電極同士を電気的に接続すると共に、前記取り出し電極と該取り出し電極に隣接するＬＥＤ素子の電極を電気的に接続する接続部材と、を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記透明部材の前記取り出し電極が取り付けられた面と反対側の面に形成された蛍光体層、及び／又は、前記ＬＥＤ素子を覆うように形成された蛍光体被覆を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は請求項２において、前記接続部材は、ワイヤボンディングに用いるボンディングワイヤであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１から請求項３のいずれかのＬＥＤモジュールを、光透過部を有する気密容器で形成された気密空間内に配置してなることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項４において、前記気密容器は、ガラス球と口金の組み合わせ、又は円筒状のガラスバルブであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載された発明は、請求項４又は請求項５のいずれかにおいて、前記気密空間内には不活性ガス又は冷却媒体が封入されていることを特徴とするものである。

本発明のＬＥＤランプは、両端部に取り出し電極を取り付けた透明部材上に、活性層を挟んで互いに対向する面から光を出射するＬＥＤ素子をダイボンディングし、隣接するＬＥＤ素子の電極同士、及び取り出し電極と該取り出し電極に隣接するＬＥＤ素子の電極を接続部材で電気的に接続してＬＥＤモジュールを構成し、このＬＥＤモジュールを光透過部を有する気密容器で形成された気密空間内に配置してＬＥＤランプを構成した。

その結果、ＬＥＤモジュールはＬＥＤ素子からの出射光が該ＬＥＤモジュールの全方向に向けて照射されるものとなり、このＬＥＤモジュールを気密容器の気密空間内に光源として配置したＬＥＤランプも広指向性の光学特性を有するものとなる。

それと同時に、発光源にＬＥＤ素子を用いたことにより、長寿命、低消費電力等のＬＥＤ素子の特徴を生かした信頼性及び実用性に優れたＬＥＤランプを実現することが可能となった。

本発明の実施形態に係わるＬＥＤ素子の説明図である。 ＬＥＤモジュールの構成図である。 ＬＥＤモジュールの結線図である。 ＬＥＤモジュールの製造工程図である。 ＬＥＤモジュールの構成図である。 同じく、ＬＥＤモジュールの構成図である。 同じく、ＬＥＤモジュールの構成図である。 ＬＥＤランプの説明図である。 同じく、ＬＥＤランプの説明図である。 同じく、ＬＥＤランプの説明図である。 従来例の説明図である。 同じく、従来例の説明図である。 同じく、従来例の説明図である。 同じく、従来例の説明図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１０を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は、本発明の実施形態に係わるＬＥＤ素子の説明図、図２はＬＥＤ素子を発光源とするＬＥＤモジュールの構成図、図３はＬＥＤモジュールの結線図、図４はＬＥＤモジュールの製造方法を示す工程図である。

本実施形態に係わるＬＥＤモジュール１に発光源として用いられるＬＥＤ素子２は、図１に示すように、外部電源からの電力を取り込んでＬＥＤ素子２を発光させる一対の電極３（アノード電極３ａ、カソード電極３ｂ）が該ＬＥＤ素子２の活性層を挟んで互いに対向する上面４と下面５のうち上面４側に設けられ、ＬＥＤ素子２の上面４と下面５からはＬＥＤ素子２からの発光光が互いにほぼ均等な光出力に分けられて外部に出射される。

そして、図２に示すように、上述したＬＥＤ素子２の複数個（本実施形態においては３個のＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃ）がガラス等の透明部材からなる基板６上に所定の配置でシリコーン樹脂等の透明接着剤（図示せず）を介してダイボンディングされている。

基板６には更に、基板６の、ＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃがダイボンディングされた面と同一の面の両端部の夫々から延びる一対の平板状の取り出し電極７ａ、７ｂが設けられ、ＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃのうち互いに隣接するＬＥＤ素子同士のアノード電極３ａとカソード電極３ｂがボンディングワイヤ８を介して電気的に接続されると共に、取り出し電極７ａと該取り出し電極７ａに隣接するＬＥＤ素子２ａのアノード電極３ａ、及び、取り出し電極７ｂと該取り出し電極７ｂに隣接するＬＥＤ素子２ｃのカソード電極３ｂが夫々ボンディングワイヤ８を介して電気的に接続されている。

すなわち、ＬＥＤモジュール１は、図３のＬＥＤの結線図に示すように、取り出し電極７ａをアノード側の電極とし、取り出し電極７ｂをカソード側の電極とする３つのＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃの直列接続の回路結線で構成されており、外部電源により取り出し電極７ａに（＋）電圧、取り出し電極７ｂに（−）電圧を印加することによりＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃに通電されて各ＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃが発光（点灯）する。

ところで、ＬＥＤモジュール１からの照射光の色調をＬＥＤ素子２の発光光とは異なる色調としたい場合、ＬＥＤ素子２の発光光で励起されて波長変換された光を放出する蛍光体を、ＬＥＤ素子２の上面４及び基板６の、ＬＥＤ素子２がダイボンディングされた面と反対側の面に塗布して夫々蛍光体被覆１０及び蛍光体層９を形成することで実現できる。

例えば、青色光を発光する青色ＬＥＤ素子２を発光源としＬＥＤモジュール１の照射光を白色に近い色調の光としたい場合、青色ＬＥＤ素子２から出射された青色光に励起されて青色光の補色となる黄色光に波長変換する黄色蛍光体を青色ＬＥＤ素子２の上面４及び基板６の、ＬＥＤ素子２がダイボンディングされた面と反対側の面に塗布して夫々蛍光体被覆１０及び蛍光体層９を形成することにより、青色ＬＥＤ素子２から出射された青色光の一部と青色ＬＥＤ素子２から出射された青色光の一部が黄色蛍光体を励起することにより波長変換された黄色光との加法混色により白色に近い色調の照射光を得ることができる。

また、黄色蛍光体の代わりに、青色ＬＥＤ素子２から出射された青色光に励起されて緑色光に波長変換する緑色蛍光体と赤色光に波長変換する赤色蛍光体との混合蛍光体を青色ＬＥＤ素子２の上面４及び基板６の、ＬＥＤ素子２がダイボンディングされた面と反対側の面に塗布して夫々蛍光体被覆１０及び蛍光体層９を形成することにより、青色ＬＥＤ素子２から出射された青色光の一部と青色ＬＥＤ素子２から出射された青色光の一部が緑色蛍光体を励起することにより波長変換された緑色光と青色ＬＥＤ素子２から出射された青色光の一部が赤色蛍光体を励起することにより波長変換された赤色光との加法混色により白色の照射光を得ることもできる。

なお、昼光色（電球色）のような赤み成分の多い白色光を照射光としたい場合は、青色光に励起されて赤色光に波長変換する赤色蛍光体を多く塗布することで可能となる。このように、ＬＥＤ素子２と蛍光体を適宜に組み合わせることにより、白色光や白色光に近い色調の光、或いはそれ以外の種々な色調の光を得ることができる。

そこで、図２に戻って、ＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃはいずれも青色ＬＥＤ素子２が用いられ、夫々の青色ＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃは、例えば黄色蛍光体（黄色蛍光体を混入した透明樹脂）が塗布されて該青色ＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃを覆うように蛍光体被覆１０が形成され、同時に、透明基板６の、青色ＬＥＤ素子２がダイボンディングされた面と反対側の面に黄色蛍光体（黄色蛍光体を混入した透明樹脂）が塗布されて蛍光体層９が形成されている。

このとき、各ＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃによる発光光は上述したように、上面４と下面５の夫々の面からほぼ均等の光出力として出射される。そこで、各ＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃにおいて、夫々の上面４から出射された光は蛍光体被膜１０内を通過して上面４側の１８０°の範囲に白色に近い色調の光として照射され、夫々の下面５から出射した光は透明基板６及び蛍光体層９を通過して下面５側の１８０°の範囲に白色に近い色調の光として照射される。

その結果、ＬＥＤモジュール１においては、ＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃからの発光光はＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃがダイボンディングされた透明基板６の両面側にほぼ同じ配光特性をもって白色に近い色調の光として照射される。つまり、ＬＥＤモジュール１は全方向に向けて白色に近い色調の光を照射するものとなる。

次に、上記構成のＬＥＤモジュール１の製造方法を、図４の工程図を参照して説明する。

まず、図４（ａ）の基板準備工程において、ソーダライムガラス等のガラス基板や樹脂フイルムなどの透明部材からなる基板６を準備する。

次に、図４（ｂ）の取り出し電極取り付け工程において、表面にワイヤボンディングが可能な金属メッキ（例えば、Ａｇメッキ）が施された、鉄系あるいは銅系の金属材料からなる帯状の一対の取り出し電極７ａ、７ｂの夫々を、基板６の一方の面の両端部に透明なエポキシ樹脂あるいは透明なＵＶ硬化樹脂を用いて接着固定する。

次に、図４（ｃ）の蛍光体層形成工程において、基板６の、取り出し電極７ａ、７ｂが接着固定された面と反対側の面に、例えば黄色蛍光体（黄色蛍光体を混入した透明樹脂）をディップ方式あるいは印刷方式等で塗布して乾燥、焼成を行い、基板６の全面に亘って均一な厚みの蛍光体層９を形成する。

次に、図４（ｄ）のＬＥＤ素子ダイボンディング工程において、基板６上の所定の位置にＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃをシリコーン樹脂等の透明接着剤を用いてダイボンディング（固定）する。

次に、図４（ｅ）のワイヤボンディング工程において、ＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃのうち互いに隣接するＬＥＤ素子同士のアノード電極３ａとカソード電極３ｂをボンディングワイヤ８によりワイヤボンディングすると共に、取り出し電極７ａと該取り出し電極７ａに隣接するＬＥＤ素子２ａのアノード電極３ａ、及び、取り出し電極７ｂと該取り出し電極７ｂに隣接するＬＥＤ素子２ｃのカソード電極３ｂの夫々をボンディングワイヤ８によりワイヤボンディングする。

最後に、図４（ｆ）の蛍光体被覆形成工程において、各ＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃに黄色蛍光体（黄色蛍光体を混入した透明樹脂）を塗布して夫々のＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃを蛍光体被覆１０で覆い、乾燥、焼成を行う。これにより、ＬＥＤモジュール１が完成する。

なお、ＬＥＤモジュール１は蛍光体を用いないでＬＥＤ素子２の発光光をそのままＬＥＤモジュールの照射光とすることも考えられる。具体的には、図５に示すように、図２のＬＥＤモジュール１の構成から、ＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃを覆う蛍光体被覆１０及び基板６の、ＬＥＤ素子２がダイボンディングされた面と反対側の面に形成された蛍光体層９を除去した構成となる。つまり、透明基板６と、透明基板６の一方の面の両端部に取り付けられた一対の取り出し電極７ａ、７ｂと、透明基板６の取り出し電極７ａ、７ｂが取り付けられた面と同一面上にダイボンディングされた、活性層を挟んで互いに対向する面から光を出射するＬＥＤ素子２ａ、２ｂ、２ｃと、互いに隣接するＬＥＤ素子２の電極同士を電気的に接続すると共に、取り出し電極７ａ、７ｂと該取り出し電極７ａ、７ｂに隣接するＬＥＤ素子２ａ、２ｃの電極を電気的に接続するボンディングワイヤ８で構成されている。

このように構成されたＬＥＤモジュール１の製造方法は、図４を参照して説明した上記製造工程において、図４（ｃ）の蛍光体層形成工程と図４（ｆ）の蛍光体被覆形成工程を削除することで実現できる。

特に、ＬＥＤ素子を覆う蛍光体被覆を取り除くことにより、ＬＥＤ素子からの熱及び光による蛍光体及び蛍光体を混入した透明樹脂の熱劣化及び光劣化がなく、光源としての経時的な性能劣化を抑制した信頼性の高いＬＥＤモジュールが実現できる。

また、ＬＥＤモジュール１は蛍光体の塗布を、図６のようにＬＥＤ素子２を覆う蛍光体被覆１０のみとする場合、又は図７のように基板６の、ＬＥＤ素子２がダイボンディングされた面と反対側の面に形成された蛍光体層９のみとする場合も考えられる。

この場合は、蛍光体が塗布された側からの照射光と塗布されない側からの照射光の色調が異なるものとなるため、読書灯や室内灯のような実用照明用の光源としては不向きかもしれないが、装飾照明用の光源としては様々な用途に使用することができる。

以上説明したように、全方向に向けて光照射が可能なＬＥＤモジュール１は、従来の電球や蛍光ランプの発光部の代わりに用いることにより、長寿命、低消費電力等のＬＥＤ素子の特徴を生かした従来タイプのＬＥＤランプを実現することができる。

具体的には、図８及び図９のように、従来の電球を構成する電球型ガラスバルブ２０と口金２１で形成され、窒素等の不活性ガスが封入された気密空間２２内に配設されたフレアステム２３に、取り出し電極７ａ、７ｂを溶接等の方法で接合固定して従来のフィラメントの代わりにＬＥＤモジュール１を光源とするものである。

そのうち、図８のＬＥＤランプ２５はＬＥＤモジュール１を直線状に配置したもの、図９のＬＥＤランプ２６はＬＥＤモジュール１を逆Ｖ字状に配置したものである。なお、ＬＥＤモジュール１の配置形状は、これら直線状あるいは逆Ｖ字状に限られるものではなく、電球型ガラスバルブの大きさとＬＥＤモジュールの長さとの関係、ＬＥＤランプに求められる明るさ、配光特性及び消費電力等を考慮して適宜最適形状に設定される。

また、図１０のＬＥＤランプ３０は、従来の蛍光ランプを構成する円筒状のガラスバルブ３１で形成され、窒素等の不活性ガスが封入された気密空間３２内にＬＥＤモジュール１を配置し、取り出し電極７ａ、７ｂの夫々に接合した導入線３３ａ、３３ｂを気密空間３２から気密に外部に導出した構成とするものであり、従来の蛍光ランプにおける放電による発光に代えてＬＥＤモジュール１のＬＥＤ素子２による発光を発光源とするものである。

なお、上記ＬＥＤランプ２５、２６、３０のいずれにおいても、気密空間内に冷却用オイル等の冷却媒体を充填して放熱性を向上させることもできる。これにより、ＬＥＤ素子の自己発熱による温度上昇が抑制されてＬＥＤ素子の温度上昇に起因する発光効率の低下や寿命の低下を防止することができる。

また、ＬＥＤランプ２５、２６の電球型ガラスバルブ２０及びＬＥＤランプ３０の円筒状ガラスバルブ３１は透明部材で形成され何等の処理も加工も施さないものを用いてもよいし、乳白色部材で形成され内面に光拡散処理を施したもの、或いは外面をブラスト処理等により粗面として光を拡散させるものなどを用いてもよい。

いずれにしても、電球型ガラスバルブ２０及び円筒状ガラスバルブ３１の表面状態は、ＬＥＤランプからの照射光に求められる光質、配光特性等の光学要件を基に、表面処理や加工等の製造性、製造効率や製造コスト等の経済性などを考慮して適宜最適な状態に設定される。

以上のように、本発明のＬＥＤランプは、ＬＥＤ素子を発光源とするＬＥＤモジュールを、ＬＥＤ素子からの出射光がＬＥＤモジュールの全方向に向けて照射されるような構造とし、従来の電球のフィラメントや蛍光ランプの放電発光部による光源の代わりにＬＥＤモジュールを光源として用いるようにした。

これにより、照射光の色調や配光特性等の光学特性は従来のランプと同等の性能を有すると共に、従来のランプよりも長寿命、低消費電力で実用性に優れたＬＥＤランプを実現することが可能となる。

１… ＬＥＤモジュール
２… ＬＥＤ素子
２ａ… ＬＥＤ素子
２ｂ… ＬＥＤ素子
２ｃ… ＬＥＤ素子
３… 電極
３ａ… アノード電極
３ｂ… カソード電極
４… 上面
５… 下面
６… 基板
７… 取り出し電極
７ａ… 取り出し電極
７ｂ… 取り出し電極
８… ボンディングワイヤ
９… 蛍光体層
１０… 蛍光体被覆
２０… ガラスバルブ
２１… 口金
２２… 気密空間
２３… フレアステム
２５… ＬＥＤランプ
２６… ＬＥＤランプ
３０… ＬＥＤランプ
３１… ガラスバルブ
３２… 気密空間
３３… 導入線
３３ａ… 導入線
３３ｂ… 導入線

Claims (6)

1. 平板状の透明部材と、
   前記透明部材の一方の面に取り付けられた複数の取り出し電極と、
   前記透明部材の前記取り出し電極が取り付けられた面と同一面上にダイボンディングされた、活性層を挟んで互いに対向する面から光を出射するＬＥＤ素子と、
   互いに隣接する前記ＬＥＤ素子の電極同士を電気的に接続すると共に、前記取り出し電極と該取り出し電極に隣接するＬＥＤ素子の電極を電気的に接続する接続部材と、を備えたことを特徴とするＬＥＤモジュール。
2. 前記透明部材の前記取り出し電極が取り付けられた面と反対側の面に形成された蛍光体層、及び／又は、前記ＬＥＤ素子を覆うように形成された蛍光体被覆を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤモジュール。
3. 前記接続部材は、ワイヤボンディングに用いるボンディングワイヤであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたＬＥＤモジュール。
4. 請求項１から請求項３のいずれかのＬＥＤモジュールを、光透過部を有する気密容器で形成された気密空間内に配置してなることを特徴とするＬＥＤランプ。
5. 前記気密容器は、ガラス球と口金の組み合わせ、又は円筒状のガラスバルブであることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤランプ。
6. 前記気密空間内には不活性ガス又は冷却媒体が封入されていることを特徴とする請求項４又は請求項５のいずれかに記載のＬＥＤランプ。

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